КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ ФОТОХИМИЯ
66.094.35:661.94542.943.5
ФОТООКИСЛИТЕЛЬНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ОКСАЛАТ-ИОНОВ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМ ОЗОНОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ
СПЛОШНОГО СПЕКТРА
© 2014 г. Д. О. Новиков*, Ю. О. Лагунова**, А. С. Камруков*, А. Ф. Селиверстов**, Б. Г. Ершов**, С. Г. Шашковский*, Н. П. Козлов*
*МГТУим. Н.Э. Баумана 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, стр. 1 E-mail: zerooo@list.ru **Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4 Поступила в редакцию 25.06.2014 г. В окончательном виде 30.06.2014 г.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2014, том 48, № 6, с. 500-501
УДК
Б01: 10.7868/80023119714060088
Щавелевая кислота широко используются в радиохимической промышленности и на АЭС как в разнообразных технологических процессах, так и для целей дезактивации оборудования. Содержание оксалат-ионов в жидких радиоактивных отходах (ЖРО) составляет обычно десятки миллиграмм, а в ряде случаев (кубовые остатки) десятков грамм в литре. В связи с этим разрушение оксалат-ионов в растворах для их последующей очистки от радиоактивных изотопов представляет важную практическую задачу. Одним из наиболее эффективных методов удаления оксалат-ионов из водных сред, имеющим промышленное применение, является их окислительная деструкция озоном [1, 2]. Однако эффективное применение озона для этих целей требует щелочной среды (рН > 11) и достаточно высоких температур (60°С).
Фотоокисление с использованием дополнительных окислителей позволяет намного эффективнее разрушать комплексоны в ЖРО в нормальных условиях [3]. В настоящей работе проведены сравнительные исследования по разрушению ок-салат-ионов в модельных растворах ЖРО методами фотолиза с использованием высокоинтенсивного импульсного УФ-излучения сплошного спектра, озонирования высококонцентрированным озоном и их комбинацией.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для проведения экспериментальных исследований разработан и изготовлен стенд производительностью 80 дм3/ч, состоящий из 3-х основных блоков: фотохимического реактора (ФХР) с вы-
соковольтным источником питания, генератора высококонцентрированного озона (200 мг/дм3) и контактной камеры, в которой организован противоток обрабатываемого раствора и озона.
ФХР представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с внутренним диаметром 100 мм и длиной 250 мм, внутри которого установлена кварцевая труба с наружным диаметром 80 мм; импульсная ксеноновая лампа типа ИНП-7/120 закреплена по оси реактора. Исследуемый раствор протекает в зазоре между корпусом реактора и кварцевой трубой.
Эксперименты проведены при средней электрической мощности на лампе 340 Вт, при этом мощность излучения в импульсе превышала 700 кВт, из которых 200 кВт приходилось на УФ-область. Спектр излучения — сплошной, полностью перекрывающий диапазон длин волн от 190 до 2700 нм, длительность импульса — 130 мкс. Частота следования импульсов — 2 Гц.
В реакторе осуществляется процесс взаимодействия УФ-излучения с растворенным в воде озоном с образованием гидроксильного радикала НО' [4]. Гидроксильный радикал — сильнейший окислитель (его окислительный потенциал — 2.8 В; для сравнения, у озона — 2.08 В), с высокой скоростью реагирующим со всеми органическими веществами.
Для повышения эффективности взаимодействия озона с обрабатываемой жидкостью использовалась контактная камера оригинальной конструкции, в которой организован противоток жидкости и газа. Камера состояла из расположенных по кругу 12 трубок с внутренним диаметром 11 мм и высотой 2 м, в которые последовательно с помощью
ФОТООКИСЛИТЕЛЬНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ОКСАЛАТ-ИОНОВ
501
вращающихся распределителен подавались — сверху жидкость, а снизу газ, что позволяло создать одинаковые условия для встречного смешения потоков во всех трубках реактора.
На стенде можно моделировать как прямоточный, так и рециркуляционный режимы обработки жидкости. В прямоточном режиме жидкость движется в одном направлении, перетекая через агрегаты стенда из одной емкости в другую, цикл обработки — однократный проход всей жидкости через ФХР. В рециркуляционном режиме жидкость, проходя через ФХР, возвращается в начальную емкость.
Обычно концентрация оксалат-ионов в стоках радиохимических производств, трапных водах и стоках спецпрачечных составляет 10—20 мг/л. В данной работе для удобства аналитического контроля концентрация увеличена до 50 мг/л; рН растворов ~10. Объем жидкости, обрабатываемой в одном цикле, — 10 л, производительность насоса — 80 дм3/ч. Эксперименты проводили в прямоточном режиме. Концентрацию оксалат-иона определяли спектрофотометрически в соответствии с методикой [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке представлены результаты исследований разрушения оксалат-ионов в модельных растворах ЖРО методами фотолиза с использованием высокоинтенсивного импульсного УФ-из-лучения сплошного спектра (3), озонирования высококонцентрированным озоном (2) и их комбинацией (1). Возможные механизмы окислительной и фотоокислительной деструкции окса-лат-ионов рассмотрены в [6, 7].
Можно видеть, что разрушение щавелевой кислоты при УФ-облучении и окислении озоном идет медленно (~5% при фотолизе и ~8% при озонолизе после 6-ти циклов обработки). При использовании комбинированного фотоокислительного процесса скорость реакции разложения щавелевой кислоты значительно повышается, эффективность разложения составляет 99.8% после 4-х циклов обработки.
Таким образом, комбинированный фотоокислительный процесс разложения оксалат-ионов, основанный на совместном использовании высокоинтенсивного широкополосного УФ-излуче-ния и высококонцентрированного озона, более
я,
и ц
а
н
е ц
н о к
100
80 -
б0 -
ая40
20
1 2 3 4 5 Количество циклов обработки
Изменение концентрации оксалат-иона от количества циклов обработки раствора в процессах: 1 — комбинированный процесс; 2 — озонолиз; 3 — фотолиз.
чем на порядок эффективнее каждого из этих процессов в отдельности — озонолиза в ~12 раз, фотолиза в ~20 раз. Это свидетельствует о проявлении сильного синергетического эффекта.
Работа выполнена в рамках мероприятия 1.2 ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы" (уникальный идентификатор проекта — RFMEFI57414X0067).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лагунова Ю.О., Селиверстов А.Ф., Ершов Б.Г., Басиев А.Г. // Атомная энергия. 2012. Т. 111. № 5. С. 31.
2. Омельчук В.В., Стахив М.Р., Савкин А.Е., Федоров Д.А., Корнев В.И. // Безопасность окружающей среды. 2007. № 3. С. 34.
3. Лагунова Ю.О., Селиверстов А.Ф., Ершов Б.Г., Морозов П.А., Камруков А.С., Шашковский С.Г. // Радиохимия. 2008. Т. 50. № 1. С. 62.
4. Beltrán, Fernando J. // Ozone Reaction Kinetics for Water and Wastewater Systems. Florida: CRC Press, 2004. P. 358.
5. DraganichZD. // Anal. Chim. Acta. 1963. V. 28. P. 394.
6. Abd El-Raady A.A., Nakajima T. // Ozone; Science and Engineering. 2006. V. 28. № 1. P. 53.
7. Garoma T., GurolM.D. // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. № 20. Р. 7964.
б
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ том 48 № б 2014
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.